大管径直埋供热管道的工作状态及安全性研究

作者：孙金鹏　　评论：　更新日期：2012年03月08日

摘要：基于强度理论和弹性稳定理论，给出了不同压力等级、壁厚、公称管径为500～1400mm的直埋热水供热管道局部稳定控制循环温差、最大允许循环温差和屈服温差曲线，建立了管道工作状态分区图，对各区域管道的最大允许安装长度和弹、塑性工作状态进行了研究。提出了在防止大管径直埋供热管道产生局部屈曲的前提下，增大管道最大允许安装长度的措施。

关键词：大管径直埋管道；局部屈曲；循环温差；安装长度

Research on Working State and Safety of Large-diameter Directly Buried Heat-supply Pipeline

SUN Jinpeng

Abstract：Based on the strength theory and elasticity stability theory，the curves of local stability circulation temperature difference，maximum circulation temperature difference and yield temperature difference for directly buried hot water heat-supply pipeline with different pressures and wall thicknesses and nominal diameter of 500 to 1400mm are given.The zone diagrams for working state of the pipeline are established，and the maximum allowable installation length and the elastic and plastic working states of the pipeline sections in different zoues are researched.Measures for increasing the maximum allowable installation length are proposed based on preventing local buckling of large-diameter directly buried heatsupply pipeline.

Key words：large-diameter directly buried pipeline；local buckling；circulation temperature difference；installation length

1 概述

随着我国经济和集中供热的发展，大管径(DN1400mm)、高温(150℃)、高压(2.5MPa)直埋热水预制保温管道日益普及，此类直埋管道可能出现的失效方式包括强度失效和稳定失效。强度失效包括内压和持续外荷载引起的一次应力产生的塑性变形，温度变化引起的二次应力产生的循环塑性变形，以及在温度变化过程中应力集中产生的疲劳破坏^[1]。基于安定性分析理论，文献[2]、[3]分别针对DN 500mm及DN 1000mm以下管道的强度失效和设计方法进行了探讨。

除强度失效外，直埋供热管道可能出现整体失稳或局部失稳。当公称直径大于500mm时，管道局部屈曲出现的概率将大大增加，管道局部将产生较大的变形，导致局部褶皱。其直接原因是温差作用下管道的轴向应变，取决于热胀变形的大小和热胀变形的释放程度。同时，局部屈曲出现的可能性与管径和壁厚紧密相关，随着壁厚的增加，产生局部失稳的可能性减小，而随着管径的增大则更易发生局部失稳。

因此，如何将强度分析理论与局部稳定分析理论相结合，综合考虑压力、循环温差、管径、壁厚对管道工作状态和安全性的影响，成为大管径预制保温管直埋敷设研究中亟待解决的问题。

2 3种控制温差曲线

根据经典的弹性稳定理论，参考钢制压力容器的分析设计标准，直埋管道局部屈曲的许用轴向临界压应力计算公式为^[4]：